Utilisation d'une nanosonde de rayons X pour la caractérisation structurelle et chimique de nanofils uniques de ZnO dopés au Co par implantation ionique

Structural and chemical characterization of single Co-implanted ZnO nanowires by a hard X-ray nanoprobe

• Auteur / Autrice : Manh-Hung Chu
• Direction : José Baruchel, Gema Martínez-Criado
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 02/07/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : European synchrotron radiation facility (Grenoble, Isère, France ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Hubert Renevier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rolando Pérez Alvarez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Angela Rizzi, Núria Garro

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanofils

Mots clés libres

ZnO dopé au cobalt

Nanofils

Fluorescence X

L'absorption X

Diffraction des rayons X

Photoluminescence

Co-implanted ZnO

Nanowires

X-ray fluorescence

X-ray absorption

X-ray diffraction

Photoluminescence

Résumé

Ce travail de thèse porte sur l'analyse de nanofils de ZnO dopés au cobalt par implantation ionique, en utilisant la fluorescence des rayons X, la spectroscopie d'absorption des rayons X et les techniques de diffraction des rayons X à l'échelle nanométrique sur la ligne de lumière ID22 de l'Installation Européenne de Rayonnement Synchrotron. Les nanofils sont obtenus par croissance catalysée sur des substrats de p-Si (100). Les nanofils de ZnO synthétisés ont été dopés avec du cobalt par d'implantation ionique. Pour la première fois, l'utilisation combinée des techniques de caractérisation par rayons X citées ci-dessus nous permet d'étudier l'homogénéité de la distribution des dopants, la composition, ainsi que l'ordre structurel à courte et grande distance de nanofils individuels. Les résultats de la nano-fluorescence des rayons X indiquent que le dopage au cobalt par implantation ionique dans les nanofils de ZnO est homogène, avec les concentrations désirées. La spectroscopie d'absorption de rayons X et l'analyse des données de diffraction de rayons X fournissent de nouvelles informations sur la distorsion du réseau cristallin produite par l'introduction de défauts structuraux par le processus d'implantation ionique. Ces résultats soulignent l'importance du recuit thermique après l'implantation pour récupérer la structure des nanofils de ZnO à l'échelle du nanomètre. Les mesures complémentaires de micro-photoluminescence et cathodo-luminescence corroborent ces résultats. En conclusion, les méthodes utilisées dans cette thèse ouvrent de nouvelles voies pour l'application de mesures multi-techniques basées sur le rayonnement synchrotron pour l'étude détaillée des nanofils semi-conducteurs à l'échelle nanométrique.

The PhD dissertation focuses on the investigation of single Co-implanted ZnO nanowires using X-ray fluorescence, X-ray absorption spectroscopy, and X-ray diffraction techniques with nanometer resolution at the beamline ID22 of the European Synchrotron Radiation Facility. The ZnO nanowires were grown on p-Si (100) substrates using vapor-liquid-solid mechanism. The synthesized ZnO nanowires were doped with Co via an ion implantation process. For the first time, the combined use of these techniques allows us to study the dopant homogeneity, composition, short- and large-range structural order of individual nanowires. The nano-X-ray fluorescence results indicate the successful and homogeneous Co doping with the desired concentrations in the ZnO nanowires by an ion implantation process. The nano-X-ray absorption spectroscopy and X-ray diffraction data analyses provide new insights into the lattice distortions produced by the structural defect formation generated by the ion implantation process. These findings highlight the importance of the post-implantation thermal annealing to recover the structure of single ZnO nanowires at the nanometer length scale. Complementary microphotoluminescence and cathodoluminescence measurements corroborrate these results. In general, the methodologies used in this work open new avenues for the application of synchrotron based multi-techniques for detailed study of single semiconductor nanowires at the nanoscale.